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Sep 15, 2023

鉄による持続可能な木質エレクトロニクス

Nature Communications volume 13、記事番号: 3680 (2022) この記事を引用する 10,000 アクセス数 19 引用数 53 Altmetric Metrics の詳細 環境に優しいウッドエレクトロニクスは、環境に優しい木材エレクトロニクスが、

Nature Communications volume 13、記事番号: 3680 (2022) この記事を引用

10,000 アクセス

19 件の引用

53 オルトメトリック

メトリクスの詳細

環境に優しいウッドエレクトロニクスは、最先端のセルロースベースの「グリーンエレクトロニクス」の欠点を軽減するのに役立ちます。 ここでは、高アブレーション、熱損傷、必要性などの従来の LIG の制限を克服し、非常に高い品質と効率で木材に大規模な導電性構造を彫刻するための革新的なアプローチとして、鉄触媒レーザー誘起黒鉛化 (IC-LIG) を紹介します。複数のレーザー発振ステップでは、難燃剤と不活性雰囲気の使用。 歴史的な没食子インクからインスピレーションを得た水性バイオベースのコーティングは、木材をレーザーアブレーションや熱損傷から保護しながら、効率的な黒鉛化を促進し、基材の凹凸を滑らかにします。 大規模（100 cm2）、高導電性（≧2500 S m−1）、均質な表面積は、非常に薄い（〜450 μm）木製ベニヤであっても、従来の CO2 レーザーを使用して周囲雰囲気中で 1 ステップで彫刻されます。 私たちは、木材を耐久性の高いひずみセンサー、柔軟な電極、静電容量式タッチパネル、エレクトロルミネセントLIGベースのデバイスに変えることで、アプローチの有効性を実証します。

持続可能な社会の需要を満たすには、環境に優しい製造ルート (「グリーン エレクトロニクス」) を使用して再生可能で生分解性の材料から電子デバイスを開発することが必須です1。 スマートビルや都市へのモノのインターネット (IoT) アプローチの実装が予測されているため、持続可能な電子材料の規模と耐久性の点で満たされていない課題が生じています 2,3。 現在、最先端のグリーンエレクトロニクスは、（ナノ）セルロースベースの材料で作られた比較的小型の使い捨てデバイスが主流となっています4、5、6。 しかし、その持続可能性は、セルロースを単離して機能性材料に再構築するために必要な、エネルギーと化学薬品の量の点で多くの要求の厳しいステップによって課題となる可能性があります。 電子機器の基板として木材を使用することは、この問題を根本的に解決するのに役立ちます。 木材は、構造健全性モニタリング (耐荷重構造に組み込まれたひずみセンサーなど) などの高い機械的強度と拡張性だけでなく、貴重な美的感覚や触覚 (タッチ スクリーンやライト ディスプレイなど) を必要とする用途にも特に役立ちます。スマートビルディングにおけるマンマシンインターフェースとして）。

木材は再生可能で生分解性の CO2 貯蔵天然資源であり、美観と触感が高く評価され、軽量でありながら高い機械的強度を備えた優れた最先端の建築材料です。 木材エレクトロニクスの開発は、これまでのところ、複雑な木材の構造と固有の導電性の欠如によって制限されてきました。 導電性木材材料に対するこれまでの試みには、金属ナノワイヤ 7 や炭素ベースのインク 8 による表面コーティング、および低融点金属などのバルク含浸 9 が含まれていました。 これらのアプローチでは、持続可能性が限られているにもかかわらず、木材が受動的な基材として使用されてきました。 他の生物学的基材と同様に、適切な条件下で木材を黒鉛化すると、妥当な電気特性 (>500 S m−1 および <1 kΩ ◻−1) を備えたグラフェンおよびグラファイト状の材料が得られます10,11,12,13。 ただし、これは通常、構造的および機械的な完全性を犠牲にして行われます。 黒鉛化を木材の表面に選択的に、数ミクロンまで閉じ込めて大部分をそのまま残す方法を見つければ、木材エレクトロニクスに新たな道が開かれるでしょう。

レーザー誘起黒鉛化 (LIG) は、さまざまな無機 14、15 および有機前駆体を導電性材料 16、17、18 に変換するために使用されています。 この黒鉛化プロセスは、多孔質炭素質材料をもたらす前駆体の光熱変換と光化学変換の組み合わせとして最もよく説明できます。 LIG は、高い処理速度と柔軟性を特徴とする費用対効果の高い技術であり、形態制御された黒鉛化パターンのレーザー彫刻 19 とレーザー切断の組み合わせを可能にします。 生物材料のレーザー誘起黒鉛化の最初の試み 16,20 は、大規模センサーやアクチュエーターなど、想定されるほとんどの用途に適した、ただし完全には十分ではない電気的および構造的特性を備えた製品につながりました。